(57)【要約】【課題】  電解質として有機溶媒を根本的に使用せず、常温及び高温でも液状を維持する熱安定性及び温度安定性の優れたイオン性液体(ionic liquids)を使用した色素増感太陽電池を提供すること。【解決手段】  半導体電極と、対向電極と、前記半導体電極と対向電極との間に介在する１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム系の電解質を含むことを特徴とする半導体電極と、対向電極と、前記半導体電極と対向電極との間に介在する１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム系の電解質を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体電極と、
対向電極と、
前記半導体電極と対向電極との間に介在する１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム系の電解質を含むことを特徴とする色素増感太陽電池。
【請求項２】
前記電解質には１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムの総重量の１〜３０モル%のヨウ素(I２)が溶解されていることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。
【請求項３】
前記半導体電極は導電性透明ガラス基板と、
前記導電性透明ガラス基板上にコーティングされた遷移金属酸化物層及び遷移金属酸化物層に吸着された染料分子層からなることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。
【請求項４】
前記遷移金属酸化物層はナノ粒子二酸化チタンであり、前記染料分子層はルテニウム錯体であることを特徴とする請求項３に記載の色素増感太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は色素増感太陽電池に関し、より詳細には、常温ないし高温で液状の１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムを電解質として含有する色素増感太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の埋蔵量が底をついていくにつれ、太陽エネルギーを電気エネルギーとして利用するための努力と関心が次第に高まっている。中でも、環境汚染物質を発生せず、太陽エネルギーを使用して電気を発生する太陽電池分野は環境保全とエネルギー問題への解決策を提示する。特に、感光性染料分子により酸化物粒子をナノ化して太陽電池を表面処理した色素増感太陽電池は、前記染料が光を吸収して電気エネルギーを発生し、環境に無害であるほか、製造工程が簡単という長所を有する。このような色素増感太陽電池の電気エネルギー発生効率をより一層向上させるための努力が続いている。
【０００３】
これまで知られている従来の色素増感太陽電池の代表的な例として１９９１年スイスのグレッチェル(Gratzel)などにより発表された太陽電池がある。グレッチェルなどにより提案された太陽電池はナノ粒子酸化物半導体陰極、白金陽極、前記陰極にコーティングされた染料、そして有機溶媒を使用した酸化/還元電解質からなる光電気化学的太陽電池であって、従来のシリコン半導体を使用した太陽電池に比べて製造コストが安価で、しかも高いエネルギー変換効率を有するという利点がある。しかし、このような色素増感太陽電池は固体状の酸化/還元化学種を有機溶媒に溶解させた電解質を含んでいるため、約１００℃前後の高温で揮発しやすい有機溶媒の特性上、太陽光により太陽電池の外部温度が上昇する外部環境下における長期的な使用は難しいという問題点がある。したがって、従来の色素増感太陽電池はエネルギー変換効率が優れ、かつ、大量生産できるにもかかわらず実用化されなかった。
【０００４】
こうした有機溶媒を含有する液状電解質の短所を解決するための方法として、有機溶媒を含有する電解質に高分子材料を添加して熱安定性を向上させたゲル状高分子電解質を開発するなどの努力が行なわれている。しかし、前記ゲル状の高分子電解質は根本的に有機溶媒を含んでいるため、揮発する恐れがあり、温度安定性が完全に解決されたとは考えられない。また、揮発を防止するために、より多量の高分子材料を添加してゲル化度をさらに向上させる場合には酸化/還元化学種のイオン導電性が低下し、エネルギー変換効率が減少するという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第５、７２８、４８７号明細書
【特許文献２】特開２００１-１６０４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電解質として有機溶媒を根本的に使用せず、常温及び高温でも液状を維持する熱安定性及び温度安定性の優れたイオン性液体(ionic liquids)を使用した色素増感太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、アルキルイミダゾル系のイオン性液体がイオン性を有しながら、常温及び高温で液状を維持し、非金属イオンと反応して広い温度範囲でも非揮発性及び非加熱性の特性を有することに着目し、１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムを電解質として使用した色素増感太陽電池に関する本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明に係る色素増感太陽電池は、半導体電極、対向電極、及び前記半導体電極と対向電極との間に介在する１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム系の電解質を含むことを特徴とする。前記電解質には１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムの総重量の約１〜３０モル%のヨウ素(I２)が溶解されることが好ましく、約５〜１０モル%のヨウ素(I２)が溶解されることがより好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムを電解質として含む色素増感太陽電池によれば、従来に電解質として使用した有機溶媒の揮発性問題を解決できるため、熱安定性及び温度安定性が優れ、かつ、長期的な使用が可能な色素増感太陽電池を提供できるという、効果を奏する。また、前記１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムはヨウ素と混合された状態でも常温及び高温の広い温度範囲で液状を維持するため、酸化/還元化学種のイオン導電性が優れており、高いエネルギー変換効率を有する太陽電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の最も好ましい形態について、添付する図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る色素増感太陽電池の構成を概念的に示す図である。図１に示すように、本発明に係る色素増感太陽電池は陰極として半導体電極１０、陽極として対向電極２０、及び陽極と陰極との間に介在する液状電解質３０とを含む。ここで、前記半導体電極１０は導電性透明ガラス基板１２及び前記導電性透明ガラス基板１２上にコーティングされた遷移金属酸化物層１４からなり、前記遷移金属酸化物層１４には染料分子が化学的に吸着されている。また、前記半導体電極１０に対向する対向電極２０は導電性透明ガラス基板２２及び導電性透明ガラス基板２２にコーティングされた白金層２４からなる。
【００１１】
本発明に係る前記構成の色素増感太陽電池を製造する方法は、以下のようである。
【００１２】
まず、半導体電極１０を製造するためには、ITOまたはSnO２がコーティングされている導電性透明ガラス基板１２を用意し、遷移金属酸化物として二酸化チタンを製造する。前記二酸化チタンは、チタニウム(IV)イソプロポキシドと酢酸を２２０℃に維持するオートクレーブ内で熱水合成(hydrothermal synsthesis)させて二酸化チタンコロイド溶液を合成した後、前記溶液中の二酸化チタンの含有量が１０〜１５重量%になるまで溶媒を増発させることによって、約１５〜３０ｎｍ大きさの二酸化チタン粒子を有するコロイド溶液の形態に製造する。ナノ粒子二酸化チタンを有する前記コロイド溶液にポリエチレングリコールとポリエチレンオキサイドを二酸化チタンの総重量の約４０重量%になるように添加する場合、粘性のある二酸化チタンコロイド溶液が得られる。このような方法で得られた粘性のある二酸化チタンコロイド溶液を、予め用意したITOまたはSnO２がコーティングされている導電性透明ガラス基板１２に約１０〜３０μｍの厚さにコーティングした後、約４５０〜５５０℃の温度で加熱して溶液中のポリエチレングリコールとポリエチレンオキサイドを除去し、ナノ粒子の酸化物が互いに接触及び充填されるようにする。このとき、コーティングは導電性透明ガラス基板１２の四方約１ｃｍを取り残し、その他の領域で行なう。次いで、二酸化チタンがコーティングされた導電性透明ガラス基板１２をルテニウム錯体からなる染料溶液内で２４時間放置した後、二酸化チタンとの反応によりルテニウム錯体が遷移金属酸化物層１４に吸着されるようにして、半導体電極１０を完成する。
【００１３】
また、前記対向電極２０は半導体電極１０を製造するために使用した導電性透明ガラス基板１２と同じ導電性透明ガラス基板２２を用意し、その上に白金でコーティングして白金層２４を形成することによって完成する。前記半導体電極１０の遷移金属酸化物コーティング時と同様に、対向電極２０の白金コーティングも導電性透明ガラス基板２２の四方約１ｃｍを取り除いた残りの領域で行なう。
【００１４】
前記半導体電極と対向電極に介在する本発明に係る色素増感太陽電池用の液状電解質３０は、前述したように、１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムにヨウ素が溶解されている液体混合物からなる。こうした電解質を製造するには、まず、トリクロロエチレン溶媒を含む反応容器にN-ビニールイミダゾルを添加して攪拌し、攪拌中はトリクロロエチレン溶媒にアルゴン気体を供給して反応容器をアルゴン雰囲気に維持する。次いで、前記反応容器にヨウ化ヘキシルを徐々に添加して７０℃で４時間反応させる。前記ヨウ化ヘキシルはヨウ化メチル、ヨウ化エチル、ヨウ化ブチル、ヨウ化プロピル、ヨウ化へプチルなどのヨウ化アルキルに替えることができる。添加したヨウ化アルキルは反応容器内でN-ビニールイミダゾルと反応して１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムを合成する。このように合成された１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムは常温で液状であり、ヨウ化イオン(I-)を含有し、極性を有するため、反応容器内の非極性であるその他の反応物との極性差により分離された状態に存在する。これによって、反応産物である１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムを容易に分離して得ることができる。このような１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムが色素増感太陽電池の電解質として優れた温度安定性を有するためには、より高分子の状態であることが好ましい。最後に、前記１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム溶液に所定濃度のヨウ素を溶解させて本発明に係る色素増感太陽電池の電解質を完成する。このとき、溶解させるヨウ素の好ましい量は１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウムの総重量の約１〜３０モル%であり、５〜１０モル%がより好ましい。前記ヨウ素は１、３-ヨウ化ビニールアルキルイミダゾリウム溶液中でヨウ化イオンと反応してI-とI３-イオンを生成し、このような反応産物は本発明に係る色素増感太陽電池用の電解質の酸化/還元化学種として作用する。
【００１５】
上記のように製造された半導体電極１０、対向電極２０、及び１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムの液状電解質３０を使用して本発明に係る太陽電池を製造するために、半導体電極１０と対向電極２０を半導体電極１０の遷移金属酸化物層１４が対向電極２０の白金層２４と対向するように配置する。次いで、半導体電極１０の遷移金属酸化物がコーティングされていない導電性透明ガラス基板１２領域と、対向電極２０の白金がコーティングされていない導電性透明ガラス基板２２領域を約３０〜５０μｍ厚さの高分子層４０、例えば、SURLYN(商品名、Du Pont社製)で互いに連結させる。前記高分子層４０を半導体電極１０の導電性透明ガラス基板１２と対向電極２０の導電性透明ガラス基板２２のそれぞれに堅固に取り付けるために、約１００〜１４０℃の加熱板上で約１〜２気圧で強く密着させる。半導体電極１０と対向電極２０とが高分子層４０により連結されると、六面体状に形成された筒の内部を１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムの液状電解質３０で埋め込むために、対向電極２０の白金層２４がコーティングされていない領域に微細な穴２６をあけて液状電解質３０を投入する。前記六面体状に形成された筒の内部が液状電解質３０で完全に埋め込まれた後は、SURLYN(商品名、Du Pont社製)などのガラス製品５０を使用し瞬間加熱して付着させることによって、前記微細な穴２６を塞ぐ。
【００１６】
本発明によって製造した太陽電池の熱に対する安定性及び温度に対する安定性を評価するために、１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムにヨウ素を前記１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムの総重量の約５モル%で添加した液状電解質のみを対象にして以下のような実験を行った。
【００１７】
実験例１:熱安定性テスト
１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムを窒素雰囲気下で、５℃/分の昇温速度で常温から６００℃まで測定することによって、揮発度をテストし、熱に対する安定性を観察した。図２は１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムに対する揮発性テストの結果を示すグラフである。図２に示すように、１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムは約２００℃まで重量の損失がほとんどなく、約２３０℃以上から揮発し始めた。
【００１８】
実験例２:温度安定性テスト
１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムを５日間１５０℃の温度に維持しながら、重量の変化を観察して温度に対する安定性をテストした。図３に示す結果から分かるように、本発明に係る電解質は重量の損失速度が非常に遅く、５日間損失した重量は約２.５%に止まった。
【００１９】
こうした結果(図２、図３)は、太陽電池の陽極と陰極との間に投入する電解質の実際の用途を考慮したとき、本発明に係る電解質が太陽電池内で直射光線による揮発度が極めて低いことを推察できる。
【００２０】
実験例３:光転換効率テスト
本発明に係る色素増感太陽電池の光転換効率は、１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムにヨウ素を前記１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリムの総重量の約５モル%で添加した液状電解質を含有する太陽電池を対象に、光源としてキセノンランプ(Xenon Lamp、Oriel、９１１９３)を使用して太陽条件(AM １.５)を標準太陽電池(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme、Certificate No.C-ISE３６９、Type of material:Mono-Si+filter)で補正しながら観察した。図４は本発明に係る色素増感太陽電池の電流電圧特性を示すグラフである。図４に示すように、最大可能電流(Isc)、最大可能電圧(Voc)、及びフィルファクタ(fill factor)はそれぞれ８.１２mA/cm３、０.６２V、及び０.６に測定された。太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する光転換効率は、単位面積当たり入射されたエネルギー(１００mV/cm２)に対して発生した電気エネルギー(電流×電圧×フィルファクタ)の比で計算し、図４の結果によって計算した本発明の太陽電池の光転換効率は３.０５%となった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る色素増感太陽電池の構成を概念的に示す図である。
【図２】本発明に係る１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムの熱安定性テストの結果を示すグラフである。
【図３】本発明に係る１、３-ヨウ化ビニールヘキシルイミダゾリウムの温度安定性テストの結果を示すグラフである。
【図４】本発明に係る色素増感太陽電池の光転換効率テストの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２２】
１０  半導体電極
１２、２２  導電性透明ガラス基板
１４  遷移金属酸化物層
２０  対向電極
２４  白金層
２６  微細な穴
３０  液状電解質
４０  高分子層
５０  ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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